四川盆地五峰-龍馬溪組深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展及建議

王曉蕾

(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系，煤礦機(jī)械裝備維護(hù)與檢測(cè)試驗(yàn)呂梁市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呂梁 033000)

北美對(duì)頁(yè)巖氣成功實(shí)施了勘探開(kāi)發(fā)在全世界范圍內(nèi)掀起了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的浪潮。中國(guó)是繼北美后較早對(duì)頁(yè)巖氣資源實(shí)施勘探開(kāi)發(fā)的國(guó)家之一。四川盆地在晚奧陶世—早志留世期間，由于華夏板塊與揚(yáng)子板塊的匯聚作用，受到江南-雪峰隆起、川中古水下隆起、黔中隆起等三者的夾持，形成較大范圍的深水坳陷，即所謂的“三隆夾一坳”沉積格局[1]，于淺水陸棚-深水陸棚的缺氧環(huán)境中沉積了一套海相黑色的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖[2]。該套頁(yè)巖具備有機(jī)質(zhì)豐度高[3]、熱演化程度適中[4]、脆性礦物含量高[5-6]、有機(jī)質(zhì)孔-縫發(fā)育[7-8]等良好的地質(zhì)條件，生烴潛力大、良好的儲(chǔ)集空間以及較好的可壓性均顯示出良好的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力，成為近幾年中國(guó)石化和中國(guó)石油頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)之一[9-10]。

目前，中國(guó)著眼于老井資料復(fù)查、地震資料重新解釋和處理、巖心和剖面考察以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析等方面的工作，憑借著北美頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)和中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐與壓裂技術(shù)水平，總結(jié)了大量有利目標(biāo)區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)，基本圈定川東涪陵—武隆—彭水、丁山—松坎、五指山—昭通—長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)—富順—永川等有利區(qū)帶[11]，通過(guò)“十二五”頁(yè)巖氣攻關(guān)試驗(yàn)，中國(guó)已經(jīng)基本建立起埋深在3 500 m以內(nèi)的淺埋藏頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)工業(yè)體系，具備了較好的商業(yè)開(kāi)發(fā)能力[12-13]。截至2017年底，中國(guó)鉆探頁(yè)巖氣井多達(dá)770口，總?cè)债a(chǎn)氣量可達(dá)100×108m3，頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量目前達(dá)7 643×108m3[14]。然而，四川盆地頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀表明，頁(yè)巖氣資源主要集中在埋深大于3 500 m的深層構(gòu)造范圍內(nèi)，其資源量為11.2×1012m3，占比達(dá)50%～69%[14-15]，若能在現(xiàn)今地質(zhì)理論下攻克水平井壓裂技術(shù)與相關(guān)裝備等關(guān)口，將會(huì)極大地拓展頁(yè)巖氣有利勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域的范圍，屆時(shí)可大幅度增加頁(yè)巖氣開(kāi)采量。從目前一些深層頁(yè)巖氣探井的壓裂試氣效果的評(píng)估來(lái)看，試采的產(chǎn)量、泵壓都出現(xiàn)了迅速下降，難以維持后期的穩(wěn)產(chǎn)[12-16]，在鉆井和完井過(guò)程中不同程度地遭遇了比淺層頁(yè)巖層系更多的技術(shù)困難與挑戰(zhàn)，如儲(chǔ)層地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件差[17]、深層高水平地應(yīng)力差下靶向精準(zhǔn)技術(shù)尚未成熟且水平井段的導(dǎo)管發(fā)生嚴(yán)重變形[14]、壓裂后不能產(chǎn)生復(fù)雜裂縫且裂縫迅速發(fā)生閉合[18]等問(wèn)題都在深層頁(yè)巖層系的開(kāi)采過(guò)程中逐漸凸顯。

為此，筆者以深層頁(yè)巖氣藏為研究對(duì)象，通過(guò)深入剖析深層頁(yè)巖氣藏地質(zhì)特征，厘清在實(shí)施深層頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的地質(zhì)理論和技術(shù)水平等相關(guān)問(wèn)題，提出未來(lái)發(fā)展的建議與展望，以期對(duì)深層頁(yè)巖氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供借鑒與參考。

1 深層頁(yè)巖氣藏的定義及分布特征

隨著油氣藏相關(guān)地質(zhì)認(rèn)識(shí)的不斷深化，中國(guó)含油氣盆地的勘探開(kāi)發(fā)步伐不斷由淺層向深層邁入，然而關(guān)于深層油氣藏的定義和劃分標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者和機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有所差異。賈承造等[19]、龐雄奇等[20]、Sun等[21]、何登發(fā)等[22]均把埋深≥4 500 m作為常規(guī)的深層油氣藏下限，而頁(yè)巖氣藏與常規(guī)油氣藏?zé)o論在油氣賦存機(jī)理還是地質(zhì)與空間的分布特征等方面均有所不同[23-24]。中國(guó)學(xué)者借鑒和吸收國(guó)外非常規(guī)油氣藏先進(jìn)地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)識(shí)，提出埋深≥3 500 m為深層頁(yè)巖氣藏下限[12]，根據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)[25]中對(duì)頁(yè)巖氣藏的分類，明確了埋深介于≥3 500 m～<4 500 m者為深層頁(yè)巖氣藏，當(dāng)埋深≥4 500 m時(shí)則為超深層頁(yè)巖氣藏(表1)。

五峰-龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度較高且有效厚度較大的區(qū)域主要集中于川東南、川南以及川北等地[3,26]。川東南地區(qū)包括焦石壩、南川、丁山、林灘場(chǎng)-懷仁、南天湖等5個(gè)有利區(qū)塊，埋深大于3 500 m的深層頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越、保存條件好、壓力系數(shù)高、含氣性好，埋深在3 500～4 500 m的有利區(qū)面積達(dá)1 132 km2，資源量達(dá)0.6×1012m3[22]；川南地區(qū)包括威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧和昭通3個(gè)區(qū)塊，埋藏深度介于3 500～4 500 m的五峰-龍馬溪組頁(yè)巖主要分布于內(nèi)江、自貢、瀘州、渝西、宜賓等地，有利面積達(dá)1.7×104km2，累計(jì)資源量為8.5×1012m3[27]；川北地區(qū)處于川北凹陷帶和大巴山前緣推覆構(gòu)造帶，五峰-龍馬溪組頁(yè)巖層系埋深過(guò)大，其中河壩1井鉆至志留系頂部時(shí)，井深達(dá)7 001 m[28]，屬于超深層頁(yè)巖氣藏，目前技術(shù)水平難以達(dá)到商業(yè)開(kāi)采的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在現(xiàn)今頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成本與水平井壓裂技術(shù)條件下，深層頁(yè)巖氣藏(埋深為3 500～4 500 m)最為有利的區(qū)域?qū)俅|南和川南地區(qū)(圖1[12，16])。

2 深層頁(yè)巖氣藏特征

深層頁(yè)巖氣藏埋深大，以高溫、高壓以及較大的水平應(yīng)力差等為主要特征，它們深刻影響著深層頁(yè)巖層系的物性[29-30]、巖石力學(xué)性質(zhì)[31-32]、水力壓裂后裂縫發(fā)育模式[33]。

表1 油氣藏埋深及類別劃分方案Table 1 Buried depth and classification scheme of oil and gas reservoirs

圖1 四川盆地下志留統(tǒng)底界不同埋深分布圖[12，16]Fig.1 Distribution map of different buried depths in the bottom boundary of Lower Silurian in Sichuan Basin[12，16]

2.1 應(yīng)力與物性特征

頁(yè)巖普遍具備特低孔(2%～8%)、特低滲(10～100 nD)等特征[34-35]，頁(yè)巖中納米孔隙具備較低縱橫比，且黏土礦物和有機(jī)質(zhì)異常豐富，與砂巖和碳酸鹽巖相比，在較高的有效應(yīng)力下，頁(yè)巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)被壓縮改造的程度更大[36-37]。根據(jù)川東南、川南五峰-龍馬溪組頁(yè)巖在不同應(yīng)力環(huán)境下滲透率和孔隙度的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力從0 MPa增加至25 MPa或者40 MPa時(shí)，頁(yè)巖樣品的孔隙度下降幅度較小，約15%～52%，而滲透率下降幅度則超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖2[36，40])。綜合前人的研究成果發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖物性對(duì)應(yīng)力的變化較為敏感，其應(yīng)力敏感系數(shù)較高者，對(duì)應(yīng)在測(cè)試的有效應(yīng)力下滲透率和孔隙度發(fā)生急劇下降[37,39]。隨著埋深的增加，頁(yè)巖滲透率和孔隙度均下降，深層頁(yè)巖孔隙內(nèi)部的游離氣受束縛能力增強(qiáng)，其運(yùn)移或者擴(kuò)散能力要低于淺層頁(yè)巖[40]，因此，在深層頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，裂縫對(duì)于促進(jìn)頁(yè)巖層系中流體的運(yùn)移和擴(kuò)散更加凸顯其重要性。

圖2 川東南與川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖滲透率和 孔隙度分別與有效壓力關(guān)系曲線[36，40]Fig.2 The relation curves of shale permeability and porosity with effective pressure in Longmaxi Formation in Southeast and South Sichuan Basin[36，40]

2.2 脆性及巖石破壞模式

巖石的脆性常被非常規(guī)油氣藏用來(lái)評(píng)價(jià)工程“甜點(diǎn)”的關(guān)鍵參數(shù)之一，是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏能否成功改造的重要依據(jù)[41]。然而，頁(yè)巖的脆性深受溫度和圍壓的控制，隨著埋深的增加，相應(yīng)的溫度和圍壓升高，頁(yè)巖的脆性降低并向延性發(fā)生過(guò)渡[42-44](圖3[45])。

圖3 川東南丁山地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖 不同埋深條件下脆性變化趨勢(shì)[45]Fig.3 Brittleness variation trend of Wufeng-Longmaxi Formation shale under different buried depth in Dingshan area, Southeast Sichuan Basin[45]

脆性是控制巖石裂縫形成的一項(xiàng)重要的綜合力學(xué)性質(zhì)[42,46]，據(jù)室內(nèi)三軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，常壓或者低圍壓(0、20 MPa)狀態(tài)下的巖石，抗壓強(qiáng)度低，巖石呈現(xiàn)劈裂式破壞，破碎程度較大，而當(dāng)施加到一定的圍壓時(shí)(55、60 MPa)，則巖石能夠抵抗較大的壓力且承載一定的變形后才發(fā)生破壞，而且破壞程度較弱，表現(xiàn)為雙剪切或者單剪切式破壞模式(圖4[45，47-48])。

總之，頁(yè)巖在高圍壓條件下比在低圍壓或者無(wú)圍壓條件下更難發(fā)生脆性響應(yīng)[49-50]，這是由于埋深增加，巖石的橫向應(yīng)力增強(qiáng)，對(duì)巖石內(nèi)部微裂縫(微裂紋)進(jìn)行了不同程度的抑制作用，埋深越大，這種抑制作用愈加強(qiáng)烈[51-52]。因此，深層頁(yè)巖氣藏埋深較大，就目前技術(shù)水平而言，水力壓裂的實(shí)施較為困難，成本大且難以形成良好的商業(yè)產(chǎn)能。

圖4 四川盆地重點(diǎn)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖 在不同圍壓下的破裂模式[45，47-48]Fig.4 Fracture modes of shale in Wufeng-Longmaxi Formation under different confining pressures in key areas of Sichuan Basin[45，47-48]

2.3 水平應(yīng)力差及壓裂效果

人工裂縫的形成與傳播高度依賴于地應(yīng)力狀態(tài)，充分了解深層頁(yè)巖氣藏地應(yīng)力特征，有助于優(yōu)化水平井鉆井方向以及施工參數(shù)的調(diào)整[53]。隨著埋深的增加，地應(yīng)力也隨之增大，一般情況下呈現(xiàn)良好的線性遞增關(guān)系[54]，然而不同方向的地應(yīng)力增加幅度有所不同，水平地應(yīng)力差則隨深度的增加而發(fā)生變化。頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，水平應(yīng)力差系數(shù)與頁(yè)巖氣井產(chǎn)量具有良好的相關(guān)性，即水平應(yīng)力差系數(shù)越高，產(chǎn)量越差(圖5[55])。

圖5 龍馬溪組頁(yè)巖水平應(yīng)力差系數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系[55]Fig.5 The relationship between horizontal stress difference coefficient and shale yield in Longmaxi Formation[55]

水平應(yīng)力差已被公認(rèn)是控制天然-人工裂縫相互作用的主要地質(zhì)因素[56-57]，當(dāng)水平應(yīng)力差Δσb為0 MPa時(shí)，水平井筒射孔段的裂縫主要沿著預(yù)先存在的天然裂縫繼續(xù)拓展延伸，這使得射孔附近產(chǎn)生高度復(fù)雜的人工-天然裂縫系統(tǒng)，而當(dāng)水平應(yīng)力差Δσb增加至15 MPa后，水力壓裂所形成的裂縫容易沿著垂直最小主應(yīng)力方向起裂并傳播，傾向于穿透層理和天然裂縫，在無(wú)天然裂縫的干擾下，繼續(xù)延伸而不發(fā)生轉(zhuǎn)向[58-59]，并且所注入流體的壓力更高，才能讓裂縫的寬度得以維持(圖6[60])。

根據(jù)目前四川盆地五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明(表2[16,45,61])，焦石壩地區(qū)、長(zhǎng)寧五峰-龍馬溪組產(chǎn)氣層段埋藏較淺，分別為2 415 m和2 300～3 200 m，屬于中深層頁(yè)巖氣藏，其中焦石壩地區(qū)水平地應(yīng)力差較低，為3.0～6.9 MPa，為人工壓裂改造提供了較好的工程條件，實(shí)際壓裂中巖石破裂壓力約42 MPa，以大尺度復(fù)雜裂縫為主，裂縫延伸長(zhǎng)度主要介于150～250 m，整體壓裂效果較好，長(zhǎng)寧地區(qū)雖然兩向壓力差較高，約為焦石壩地區(qū)的3～7倍，但由于埋深較淺，氣藏改造后體積較大，壓裂效果較好[61]。而丁山地區(qū)、威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖層系埋深過(guò)大，屬于深層頁(yè)巖氣藏，其中威遠(yuǎn)地區(qū)復(fù)雜裂縫較少，裂縫延伸距離主要介于100～150 m[16]。深層頁(yè)巖氣藏水力壓裂改造的效果相對(duì)較差，常規(guī)的壓裂技術(shù)與模式不利于在深層頁(yè)巖層系中形成縫網(wǎng)。

表2 四川盆地重點(diǎn)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖層系水平方向地應(yīng)力差及壓裂效果Table 2 Horizontal stress difference and fracturing effect of Wufeng-Longmaxi Formation shale in key areas of Sichuan Basin

圖6 不同水平應(yīng)力差下水力壓裂后裂縫分布模式[60]Fig.6 Fracture distribution mode after hydraulic fracturing under different horizontal stress difference[60]

3 存在問(wèn)題及建議

四川盆地前期那些已經(jīng)具備商業(yè)開(kāi)采條件的頁(yè)巖氣層系的埋深一般小于3 500 m，主要吸取了北美地區(qū)3 500 m以淺的頁(yè)巖氣成功勘探開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，而人們逐步意識(shí)到，中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件的復(fù)雜性，要開(kāi)采3 500 m以深的頁(yè)巖氣，沒(méi)有相關(guān)的理論、技術(shù)和裝備可以借鑒。為此，筆者通過(guò)分析前人的研究成果，結(jié)合中國(guó)南方海相頁(yè)巖層系特殊的地質(zhì)背景，總結(jié)和歸納了關(guān)于深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)深度范圍、水平井鉆完井和后期水力壓裂相關(guān)技術(shù)等方面的問(wèn)題，提出以下幾點(diǎn)建議。

3.1 深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)深度的劃定

當(dāng)脆性礦物含量高達(dá)70%～80%的頁(yè)巖置于高溫和高壓條件下，即某個(gè)埋深條件下，其巖石力學(xué)性質(zhì)也表現(xiàn)為延性特征[62-63]，如果忽略埋深這一重要因素，單純利用脆性礦物來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖的脆性以確定“甜點(diǎn)”壓裂層段是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腫31]。然而，在何種深度范圍內(nèi)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)由脆性向延性發(fā)生轉(zhuǎn)變，何種深度范圍內(nèi)頁(yè)巖呈現(xiàn)脆性、半脆性、延性特征，需要前期理論與實(shí)踐的論證。

為保證前期頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)的需要和后期水力壓裂施工增產(chǎn)的要求，有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)川東—鄂西一帶的五峰-龍馬溪組頁(yè)巖層系的埋深進(jìn)行了重新劃分[16,31,64]，認(rèn)為埋深小于2 000～2 700 m的頁(yè)巖表現(xiàn)為脆性，埋深大于4 200～4 400 m的頁(yè)巖為延性，而頁(yè)巖處于這兩者埋深范圍內(nèi)時(shí)則表現(xiàn)為脆性-延性過(guò)渡的特征，這種狀態(tài)下的頁(yè)巖即使發(fā)育有天然裂縫，既能夠不破壞頁(yè)巖氣藏整體的穩(wěn)定性，而且又保證了后期壓裂施工中所要求的脆性這一標(biāo)準(zhǔn)(圖7[16])。

圖7 不同埋深下頁(yè)巖裂縫、含氣量和產(chǎn)量關(guān)系模式圖[16]Fig.7 Relationship between fractures and gas content and production of shale under different buried depths[16]

此頁(yè)巖脆性-延性轉(zhuǎn)換帶的深度范圍較好地囊括了深層頁(yè)巖氣藏的埋深范圍，其中川東—鄂西一帶五峰-龍馬溪組頁(yè)巖層系延性帶頂界深度為4 470 m±230 m[64]，與現(xiàn)今深層頁(yè)巖氣藏埋深下限4 500 m具有較好的對(duì)應(yīng)，是目前技術(shù)水平條件下能夠達(dá)到商業(yè)開(kāi)采的勘探風(fēng)險(xiǎn)深度。

3.2 深層頁(yè)巖氣水平井鉆完井技術(shù)

20世紀(jì)90年代末，隨著定向鉆井技術(shù)的興起，工業(yè)界利用水平井技術(shù)穿透富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖以及實(shí)施分段水力壓裂，從而產(chǎn)生高滲透流動(dòng)路徑以獲取更大范圍內(nèi)的頁(yè)巖氣資源[65]。目前，水平井是開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的最有效方式。然而，在水平井打鉆過(guò)程中，鉆井液與地層接觸出現(xiàn)水化膨脹且發(fā)生滲透性巖層損傷、鉆遇斷層后由于應(yīng)力失穩(wěn)或者鉆井液沿?cái)鄬酉聺B而導(dǎo)致的斷層活化等因素都會(huì)使得水平井套管和水泥環(huán)受圍巖滑移而發(fā)生剪切變形和破壞，從而難以確保水泥環(huán)和套管的完整性(圖8[66])。另外，深層地應(yīng)力條件復(fù)雜、上覆地層壓力高且地層的橫向非均質(zhì)性強(qiáng)、水平井軌跡難以把控等問(wèn)題在深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐漸凸顯。

圖8 水平井套管受地層滑移而被剪切 變形和破壞平面示意圖[66]Fig.8 Schematic diagram of shear deformation and failure of casing in horizontal wells due to formation slip[66]

通過(guò)對(duì)中外文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：在鉆井液中添加水化抑制劑，或者更換為強(qiáng)抑制性水基鉆井液可有效改善或者避免由于頁(yè)巖內(nèi)部黏土等礦物遇水膨脹的問(wèn)題；通過(guò)加強(qiáng)地震資料的解釋，優(yōu)化水平井眼軌跡和方位，避開(kāi)斷層，合理轉(zhuǎn)向，改變裂縫拓展方向；優(yōu)選旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，不僅有效縮短鉆井周期，而且對(duì)于把控水平井段的長(zhǎng)度和軌跡具有良好的應(yīng)用效果(表3[66-70])。

3.3 深層頁(yè)巖氣藏壓裂技術(shù)

隨著涪陵、長(zhǎng)寧—昭通、威遠(yuǎn)等地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的突破，人們逐漸意識(shí)到并不是只要有頁(yè)巖分布的地區(qū)就能實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的商業(yè)開(kāi)發(fā)，其不僅需具備較好的“地質(zhì)甜點(diǎn)”作為前期工作的基礎(chǔ)[71]，而且其“工程甜點(diǎn)”是后期實(shí)現(xiàn)氣藏能否成功改造的必不可少的條件[72]，能否實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)，其壓裂增產(chǎn)改造等相關(guān)技術(shù)是關(guān)鍵[13]。

“高凈壓、大排量”是早期針對(duì)深層頁(yè)巖氣水平井的壓裂施工整體方案[73]，但在高水平地應(yīng)力差情況下，裂縫主要沿著最大主應(yīng)力方向延伸和拓展，體積壓裂效果較差，導(dǎo)致中后期泵壓迅速上升，不得已采用降低排量的方式確保施工的完成，最后導(dǎo)致水平井遠(yuǎn)端壓裂效果差[74]。以焦石壩和威遠(yuǎn)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖為例，雖然這兩者脆性礦物含量相當(dāng)，分別為65.8%和62.4%，但是埋藏深度不同，前期施工發(fā)現(xiàn)，水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)存在較明顯的差異(圖9[16])，這兩者不可避免地受到了水平應(yīng)力差的影響。因此，開(kāi)發(fā)深層且具有較高水平應(yīng)力差的頁(yè)巖氣藏，可以考慮大范圍的貫通天然裂縫和層理面等力學(xué)性質(zhì)較為薄弱的結(jié)構(gòu)[75]，通過(guò)改變射孔方式[76]、采用雙水平井拉鏈?zhǔn)酵綁毫训姆椒ūM可能地增加巖石之間的應(yīng)力干擾[77]，盡可能溝通更大范圍的天然裂縫和層理面，提高氣藏改造效果和保持后期的穩(wěn)產(chǎn)。

深層上覆地層壓力大，壓裂后支撐劑進(jìn)入裂縫很快被壓實(shí)而嵌入巖石內(nèi)部，導(dǎo)致裂縫變窄，從而降低裂縫整體的疏導(dǎo)能力，考慮采用多尺度小粒徑支撐劑，實(shí)行多級(jí)裂縫充填[74]。

另外，筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，套管變形同樣也發(fā)生在后期壓裂施工的過(guò)程中，這是由于水力壓裂施工過(guò)程中局部所產(chǎn)生的異常高壓使得地層體積壓縮變形，同時(shí)，壓裂后滑溜水與頁(yè)巖中的黏土接觸，黏土水化膨脹，以上兩者均會(huì)導(dǎo)致套管變形和破壞[78-79]。借鑒中深層頁(yè)巖氣射孔方式，量化并合理把控分段壓裂的簇?cái)?shù)，如丁山地區(qū)五峰-龍馬溪組1 034.23 m中的水平斷分24簇進(jìn)行分段壓裂，其中每簇合理的間距為46 m，可獲得107%多裂縫覆蓋率，既保證了體積能夠得到充分改造，又能不破壞巖層的應(yīng)力平衡[74]；另外，可考慮采用液氮這種環(huán)保型壓裂介質(zhì)，既可以提高深層頁(yè)巖層系的脆性[80]，也較好地防止黏土遇水發(fā)生水化膨脹[81]。深層頁(yè)巖氣藏中的流體是多種機(jī)制運(yùn)移的結(jié)果，包括吸附和解吸、擴(kuò)散流動(dòng)、黏性流動(dòng)以及天然裂縫的應(yīng)力敏感性等，通過(guò)建立和優(yōu)化試井?dāng)?shù)學(xué)模型，將這些機(jī)制同時(shí)納入頁(yè)巖氣藏中多裂縫水平井(MFHW)的試井模型中是未來(lái)軟件系統(tǒng)上多參數(shù)和高精度發(fā)展方向[82-83]。

表3 深層頁(yè)巖氣藏水平井鉆完井過(guò)程中存在問(wèn)題和解決措施的建議Table 3 The existing problems and suggestions for solutions in drilling and completion of horizontal wells in deep shale gas reservoirs

圖9 焦石壩和威遠(yuǎn)地區(qū)不同地應(yīng)力差下水力壓裂效果[16]Fig.9 Hydraulic fracturing effect under different ground stress difference in Jiaoshiba and Weiyuan area[16]

4 結(jié)論

(1)頁(yè)巖氣藏埋深介于≥3 500 m～<4 500 m者為深層頁(yè)巖氣藏，四川盆地五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣資源量主要分布在大于3 500 m的埋深范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)豐度高且有效厚度大的有利勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)區(qū)屬川東南和川南地區(qū)。

(2)深層頁(yè)巖氣藏較高的有效應(yīng)力，使得頁(yè)巖滲透率和孔隙度下降；較高的地壓和地溫下頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)由脆性向延性過(guò)渡，巖石以雙剪切或者單剪切破壞模式為主；較高的水平應(yīng)力差下，裂縫主要沿最大水平主應(yīng)力方向延伸而不發(fā)生轉(zhuǎn)向，不能形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)。

(3)深層頁(yè)巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)埋深約為4 500 m，同時(shí)也是五峰-龍馬溪組頁(yè)巖層系延性帶頂界。深層條件下水平井套管和井筒發(fā)生變形和破壞、水平井方位漂移、壓裂改造效果不明顯、試井模型所考慮的流體運(yùn)移機(jī)制不全等問(wèn)題凸顯，嚴(yán)重阻礙著四川盆地深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)的進(jìn)程，對(duì)此應(yīng)積極探索針對(duì)關(guān)于水平井鉆井和壓裂方面的先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和方案。